반도체? 이 정도는 알고 가야지: (6) 박막증착 공정

반도체? 이 정도는 알고 가야지: (6) 박막증착 공정

안녕하세요 여러분! 반도체 공정 중 6번째 공정인 박막 공정(Thin film deposition) 시간입니다. 식각(Etching)공정을 완료한 웨이퍼가 이제는 박막이라는 옷을 입게 됩니다. 박막이란 1마이크로미터(μm) 이하의 얇은 막을 말하는데요. 이런 박막을 웨이퍼 위에 입히게 되면 전기적인 특성이 나타나게 되는 것이지요. 더욱 자세한 내용을 알아볼까요?!

 

SK Careers Editor 김시우

 

1. 박막 입히기 정말 막막...

위에서 언급한 것처럼 박막이란 정말 얇은 막을 말합니다. 웨이퍼보다도 훨씬 얇은 막을 어떻게 입히지, 라는 생각에 증착 공정이란 정말 막막해 보입니다. 반경이 100mm인 웨이퍼에 1 μm 박막을 씌우는 것은 마치 반경이 100m인 땅에 테이프 두께보다 더 얇은 막을 정교하게 입혀야 하는 것이니 정말 막막하지 않으신가요? 

따라서 이러한 박막 공정은 정말 정확하고 세밀한 작업을 요합니다. 모든 반도체 공정이 그렇듯 말입니다.

 

2. PVD와 CVD 
우선 박막을 만드는 방법은 크게 두 부류로 나뉩니다.  PVD(Physical Vapor Deposition)와 CVD(Chemical Vapor Deposition)이죠. 두 방법의 차이는 ‘물리적인 방법으로 증착하느냐, 화학적으로 증착하느냐’ 입니다. PVD는 또 크게 Thermal evaporation , E-beam evaporation , Sputtering으로 나뉩니다. 이렇게 말하니 벌써부터 막막하신가요? 따라서 아래 표를 준비했습니다!

 

<Deposition의 종류를 나타낸 표>

표를 보니 박막을 입히는 방법이 정말 많다는 것을 알 수 있겠죠? 이렇게 방법이 많은 이유는 각 방법마다 사용하는 재료가 다르고 장단점이 다 다르기 때문입니다.

 

먼저 PVD는 금속박막 증착에 주로 사용되고 화학반응을 수반하지 않는다는 게 특징입니다. 즉 물리적인 방법으로 박막을 증착한다는 것인데요. 그 중 하나인 Sputtering을 살펴보도록 하죠.

 

Sputtering 이란 아르곤(Ar) 가스를 이용해 증착하는 방식입니다. 먼저 진공 챔버에 Ar가스와 자유전자가 존재합니다. 이때 Ar 가스에 높은 전압을 가해주게 되면  이온으로 변화하게 됩니다. 증착이 되야할 기판엔 (+)전압을, 증착하고자 하는 물질인 타겟층엔 (–)전압을 걸어줍니다.

자유전자와 Ar 기체 간의 충돌로 이온화된 는 (-) 상태인 Target층과 부딪힙니다. 이후 Target 물질이 분리되어 기판(Substrate) 쪽으로 증착이 됩니다. 이후 Ar과 자유전자의 충돌은 끊임 없이 일어나며 증착이 진행됩니다.

 

<Sputtering 모식도>

두 번째 방식으로는 CVD가 있습니다. CVD란 Chemical Vapor Deposition 의 줄임말로 우리말로는 화학기상증착법이라고 불립니다. 가스의 화학 반응으로 형성된 입자들을 외부 에너지가 부여된 수증기 형태로 쏘아 증착시키는 방법인데요. 이는 도체, 부도체, 반도체의 박막 증착에 모두 사용 가능하다는 장점이 있습니다. 이러한 이유로 대부분의 반도체 공정에서는 화학적 기상증착방법을 사용하고 있습니다. 이중 특히 PECVD (Plasma Enhanced CVD)는 플라즈마를 사용해 저온 공정이 가능하고 두께 균일도를 조절할 수 있으며 대량 처리가 가능하다는 장점 때문에 가장 많이 이용되고 있습니다.

 

<PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 모식도>

여러분 혹시 식각(Etching)과정에서 “플라즈마” 상태 기억나시나요? 플라즈마란 이온, 자유전자, 중성원자 들로 이루어진 물질의 제4상태를 말합니다. PECVD의 원리를 간단히 설명하자면 반응시킬 기체를 주입하고 플라즈마 상태를 만들기 위해 전압을 수직으로 걸어줍니다. 따라서 플라즈마 상태로 이온화된 기체들이 서로 화학반응을 하여 원하는 물질이 기판에 고르게 쌓이게 되고 나머지 이온들은 결합하여 기체로 배출되게 되는 것이죠. 이해가 되셨나요?

 

3. PVD와 CVD 장단점과 주요인자

	장점	단점
PVD	* 저온공정  * 진공상태 (불순물 오염 적음)	* 증착속도 느림  * 박막 접합성 떨어짐
CVD	* 접합성 및 박막 품질 좋음	* 고온공정으로 인한 재료 선택 문제  * 두께 조절 컨트롤 어려움 존재

<PVD, CVD 장단점을 나타낸 표>

PVD와 CVD는 방법이 다를 뿐만 아니라 장단점도 다르며 그 안에서의 방법들도 많은 차이가 있습니다. 증착에서의 주요 인자로는 품질, 두께 균일도, Step Coverage , Filling이 있는데요, 모두 균일함을 나타내는 요소라고 할 수 있겠습니다.

자, 여러분! 이번 시간은 부도체인 실리콘 웨이퍼가 전기적인 특성을 갖게 되는 증착 (Deposition) 공정에 대해 배워보았습니다. 증착을 할 때 중요한 요소는 바로 정교함입니다. 얼마나 균일하게 증착했는지가 반도체의 품질을 좌우하죠. 더욱더 발전하는 SK하이닉스의 증착 공정은 어떤 모습일지 지켜봐주세요~!